국내 연구진이 전기차의 주행거리를 이론상 3배 이상 늘릴 수 있는 배터리 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 연구팀은 리튬이온배터리의 고용량 음극 소재인 실리콘의 내구성을 획기적으로 늘릴 수 있는 합성기술을 개발했다. 이번 연구결과는 소재과학 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지’ 12월 14일자에 실렸다.

전기차의 1회 충전 주행거리는 탑재된 배터리 용량에 비례하는데 음극소재에 좌우된다. 이에 한다. 특히 현재 사용되는 리튬이온배터리의 음극소재는 흑연인데 흑연보다 이론적 용량이 10배 이상 큰 소재가 바로 실리콘이다. 문제는 실리콘을 이용해 음극을 만들었을 경우 충방전 때마다 실리콘 부피가 3배 이상 부풀어 오른다는 것이다. 더군다나 팽창과 수축을 반복하면서 구조적 손상이 발생하기 쉽고 팽창하면서 가스에 의한 폭발 위험도 있다. 이 때문에 흑연에 실리콘 소재를 5% 안팎으로만 포함시켜 사용하거나 덩어리 실리콘을 잘게 부숴 합성하는 방식을 활용했다.

연구팀은 양자역학계산을 통해 원료물질을 가스형태로 만들어 합성하는 기상증착을 통해 실리콘 입자를 1나노미터 이하로 줄이는데 성공했다.

이렇게 합성된 실리콘 음극재의 부피 팽창률을 측정했을 때 상용 흑연소재와 유사한 15% 내외에 불과했다. 흑연 음극재의 경우 충전시 13% 정도 팽창했다. 실제로 각형 셀로 만든 실리콘 음극재 평가에서 2800회 충방전을 반복한 뒤에도 초기 용량의 91%를 유지하는 것이 관찰됐다.

이번에 개발된 실리콘 기반 음극소재는 전기자동차 뿐만 아니라 고용량 에너지 저장시스템(ESS)에도 적용이 가능한 것으로 기대되고 있다.

연구를 이끈 조재필 특훈교수는 “이번 기술은 실리콘 입자 성장과정에 대한 이해를 바탕으로 단점을 효과적으로 해결한 합성법을 찾았다는데 의미가 있다”라며 “더군다나 이번 개발한 기술은 대량생산이 쉽고 생산비용 절감효과도 있을 것”이라고 말했다.